如果有人問:“你現(xiàn)在的運動速度是多少?”
如果你正安穩(wěn)地坐在凳子上,大概率會如此作答:“我的運動速度為 0。”
不過,倘若將視野放得更為開闊,你或許會意識到,事情遠(yuǎn)非這么簡單。
雖說相對于地面,你處于靜止?fàn)顟B(tài),可地球卻始終處于運動之中。地球赤道處的自轉(zhuǎn)速度高達 1600 公里 / 小時;除了自轉(zhuǎn),地球還以 107000 公里 / 小時的速度繞著太陽公轉(zhuǎn)。
這還不是全部,太陽系同樣繞著銀河系旋轉(zhuǎn),速度為 828000 公里 / 小時,而銀河系在廣袤的宇宙空間里,也以每小時 216 萬公里的速度持續(xù)前行。如此看來,我們在宇宙空間中的運動路徑極為復(fù)雜,且速度快得超乎想象。
但你以為這就是全部了嗎?實際上,這樣的認(rèn)知雖沒錯,卻忽略了至關(guān)重要的一點。
通常情況下,提及運動,我們的思維極易局限于空間范疇,而將時間拋諸腦后。在牛頓所處的時代,空間、時間、物質(zhì)與運動之間,被視作相互獨立、毫無關(guān)聯(lián)。
空間和時間能夠脫離物質(zhì)單獨存在,換言之,即便宇宙中空無一物,不存在任何物質(zhì),空間和時間依舊會照常存在。它們僅僅為物質(zhì)的存在與運動搭建了一個平臺,而物質(zhì)的存在及運動,并不會對空間和時間產(chǎn)生任何改變。
這就如同一個舞臺,有無演員登臺,演員在舞臺上表演何種節(jié)目,對于舞臺本身而言,都無關(guān)痛癢,不會造成任何影響。
然而,愛因斯坦的出現(xiàn),徹底顛覆了這一傳統(tǒng)觀念。
他提出,時間和空間并非相互獨立,而是一個不可分割的整體,被稱為四維時空。時空的存在,離不開物質(zhì)(能量);同樣,物質(zhì)(能量)的存在與運動,反過來也能夠改變時空的結(jié)構(gòu)。總之,這幾者相互依存,彼此影響。
尤為關(guān)鍵的是,愛因斯坦將時間這一看不見、摸不著的抽象概念,轉(zhuǎn)化成了如同空間一般真實存在的維度,與我們?nèi)粘J熘那昂蟆⒆笥摇⑸舷戮S度并無二致。
遺憾的是,作為身處三維空間的人類,我們根本無法直接看到時間這個維度,它仿佛虛無縹緲。但奇妙的是,我們卻能真切地感受到時間的悄然流逝。
時間維度與空間維度存在著顯著區(qū)別:在空間里,我們既能向前行進,也可向后倒退,既能向上攀升,也能向下墜落;但時間的流逝,卻好似被安裝了單向閥,只能朝著一個方向前進,我們無法讓它倒流,過去發(fā)生的事情,也無法再次重現(xiàn)。
說到這兒,想必你看過經(jīng)典科幻電影《星際穿越》。
影片中,男主最后進入黑洞,來到了五維時空。在這個更高維度的時空里,時間如同空間維度一樣真實可觸,男主甚至能夠隨意查看并改變過去發(fā)生的事情,還能給女兒墨菲傳遞信息。所以,從科學(xué)的角度來看,我們一直堅信時間是真實存在的,并且在更高維度中,它就是一個與空間維度類似的 “實體”。
盡管在我們所處的四維時空中,無法讓時間倒流,也無法看到過去發(fā)生的事情,但愛因斯坦的相對論卻賦予了我們一項神奇的能力 —— 左右時間的流逝速度。
其中的時間膨脹效應(yīng)表明,當(dāng)一個物體在空間中的運動速度加快時,它在時間維度中的移動速度就會相應(yīng)減慢。
也就是說,當(dāng)物體在空間中處于靜止?fàn)顟B(tài)時,其在時間中的運動速度不會受到影響,會以正常速度前行。這就好比你駕駛汽車在一條筆直公路上勻速向西行駛(類比在時間中移動),此時若你轉(zhuǎn)向西北方向,并保持速度不變,那么你的速度便會在向北(空間)方向產(chǎn)生一個分量,進而導(dǎo)致你在向西(時間)方向的移動速度減緩。
隨著你在向北(空間)方向的速度分量越來越大,你在向西(時間)方向的運動速度就會持續(xù)降低,甚至有可能降為零,即時間停止。
在狹義相對論下,運動速度與時間膨脹效應(yīng)之間存在著特定關(guān)系。
如相關(guān)圖示所示,橫軸代表空間中的速度,豎軸代表時間流逝速度。當(dāng)物體在空間中的運動速度為 0 時,時間的流逝速度為 1;當(dāng)速度達到 0.5 倍光速時,時間流逝速度減慢至原來的 0.9 倍;而當(dāng)速度達到光速時,時間的流逝速度變?yōu)榱恪?/p>
由此可見,物體的運動可拆分為兩個部分:空間運動與時間運動,即物體在時空中的速度。
當(dāng)物體在空間中靜止不動時,它便只在時間維度中運動;當(dāng)物體在空間中開始運動,其在時間中的運動就會向空間產(chǎn)生一個分量,致使在時間中的移動速度變慢;當(dāng)物體在空間中的運動速度達到光速時,時間便會徹底停止。
所以說,我們在時空這個整體中的運動速度恒定為光速,只不過這個速度會在空間維度產(chǎn)生分量,進而導(dǎo)致時間流逝變慢。只是時間維度中的運動,對我們而言,不像在空間中運動那般,能帶來風(fēng)馳電掣的直觀感受。
當(dāng)然,在現(xiàn)實宇宙中,只要是具有質(zhì)量的物體,其在空間中的運動速度只能無限接近光速,絕不可能達到,更無法超越。
但有一些無質(zhì)量粒子,如光子和膠子,它們卻能夠在空間中達到光速,并且在時間維度中停止運動。對于它們來說,不存在時間分量,因為在空間中,它們已經(jīng)達到了速度上限,根本不會在時間中運動,這就好比一輛汽車,始終朝著北方疾馳。
以光子為例,它沒有壽命,不會發(fā)生衰變,能夠 “永生”,原因就在于它沒有時間概念,除非被其他物質(zhì)吸收。
例如,我們常說現(xiàn)在接收到的太陽光是 8 分鐘前發(fā)出的,這是從我們?nèi)祟惖囊暯堑贸龅慕Y(jié)論;但對于光子自身而言,從太陽出發(fā)抵達地面并被吸收,僅僅是一瞬間的事情。
從誕生到消失,它根本沒有經(jīng)歷時間的流淌。大爆炸產(chǎn)生的光子(微波背景輻射),在我們看來,已經(jīng)有 138 億年的歷史了;但對光子而言,它仿佛剛誕生就被我們的儀器探測到了。
甚至對于光子來說,宇宙的起始與終結(jié),似乎都發(fā)生在同一時間點,在它的 “認(rèn)知” 里,宇宙剛誕生便已走向死亡。這便是在空間中達到光速的神奇之處,時間停止流動,沒有時間的感知。
或許,這正是宇宙限制有質(zhì)量物體在空間中達到光速的原因,這種現(xiàn)象實在太過神奇。
綜上所述,盡管我們無法在空間中達到光速,但實際上,我們始終在時空中以光速穿梭,只不過這個速度主要體現(xiàn)在時間維度上。在時空這一結(jié)構(gòu)中,一切事物的運動速度都是恒定不變的。
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